氨燃料船舶SOFC/GT/SCO2/ORC/热电联产混合动力系统

本发明涉及能源动力设备，特别是一种氨燃料船舶sofc/gt/sco2/orc/热电联产混合动力系统。

背景技术：

1、氨燃料是一种可持续的绿色能源，对于实现绿色航行具有重要意义。氨燃料在燃烧过程中只产生水和氮气，无二氧化碳排放。因此，将氨燃料应用于航行领域可以显著减少船舶的碳排放和空气污染物排放。此外，氨燃料还具有高能量密度和易于储存的特点，可以满足船舶长航行的需求。燃料电池与燃气轮机联合发电系统是一种新型的能源转换和利用技术，这种系统在能源转换效率和环境友好性方面具有很大潜力。

2、公开号为cn115324739a的中国专利公开了一种用光热分解氨制合成气的燃气轮机和sofc联合发电系统；利用光热使液氨分解产生氢气、氮气等合成气，掺入燃料为天然气燃气轮机中，同时应用固体氧化物燃料电池中参与电化学反应并发电，燃气轮机和sofc联合发电可提高氢燃料的利用率和系统发电效率。但是，该系统中，无论是液氨冷能，还是sofc尾气热能均未能得到充分利用，并且该系统只是作为子系统依附于天然气燃气轮机，未能完全使用氨气作为燃料，尾气中仍会有大量的碳排放。

技术实现思路

1、针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种氨燃料船舶sofc/gt/sco2/orc/热电联产混合动力系统，目的是实现以液氨为动力原料的船舶的零排放。

2、本发明技术方案如下：一种氨燃料船舶sofc/gt/sco2/orc/热电联产混合动力系统，包括：

3、sofc/gt混合动力子系统：由液氨经sofc尾气加热并压缩后通过氨气裂解器裂解送入sofc的阳极，压缩空气经sofc尾气加热后送入sofc的阴极和后燃室，所述sofc的阳极和阴极的出口气体送入所述后燃室，后燃室燃烧所述压缩空气以及所述sofc的阳极和阴极的出口气体并经过第一涡轮做功后形成所述sofc尾气；

4、sco2子系统：由所述sofc尾气加热的sco2工质在膨胀做功后作为第二orc循环子系统热源经过冷却并通过换热装置供热，再进行压缩形成循环；

5、第一orc循环子系统：以液氨作为冷源，以sofc尾气作为热源构成第一orc工质的循环；

6、和第二orc循环子系统：以sco2子系统的sco2工质作为热源，以海水作为冷源构成第二orc工质的循环。

7、进一步地，所述sofc/gt混合动力子系统包括化学回热器，所述第一涡轮的排气进入所述化学回热器用于给所述氨气裂解器提供热量，所述化学回热器的排气为所述sofc尾气。

8、进一步地，所述sofc/gt混合动力子系统包括第二换热器和第三换热器，所述sco2子系统包括第四换热器，所述第一orc循环子系统包括第一换热器和第八换热器，所述sofc尾气依次通过所述第二换热器、所述第三换热器、所述第四换热器和所述第八换热器，所述液氨依次通过所述第一换热器和所述第二换热器，所述第二换热器用于加热所述液氨，所述第三换热器用于加热所述压缩空气，所述第四换热器用于加热sco2工质，所述第八换热器用于加热所述第一orc工质，所述第一orc工质在所述第一换热器由所述液氨冷却。

9、进一步地，所述第一orc循环子系统包括第二冷却器，所述第一orc工质在膨胀做功后分流为两路，一路进入所述第二冷却器由海水冷却，一路进入所述第一换热器。

10、进一步地，所述第一orc循环子系统包括第二工质泵和第四涡轮，所述第二冷却器和所述第一换热器冷却后的所述第一orc工质经过所述第二工质泵加压进入所述第八换热器加热再进入所述第四涡轮膨胀做功。

11、进一步地，所述第一orc循环子系统包括第二分离器和混合器，所述第二分离器连接在所述第四涡轮之后，所述第二分离器分别连接所述第一换热器和第二冷却器，所述混合器连接在所述第二工质泵之前，所述混合器混合所述第一换热器和第二冷却器流出的第一orc工质送入所述第二工质泵。

12、进一步地，所述sofc/gt混合动力子系统包括第一分离器，所述第一分离器连接在所述第三换热器之后，将所述第三换热器流出的压缩空气分别送入所述sofc的阴极和后燃室。

13、进一步地，所述sco2子系统包括第五换热器，所述sco2工质在膨胀做功后与压缩后的所述sco2工质在所述第五换热器进行回热。

14、进一步地，所述sco2子系统包括第二涡轮、第六换热器、第七换热器和第三压缩机，由sofc尾气加热的sco2工质在所述第二涡轮进行膨胀做功后经过所述第五换热器进入所述第六换热器，再进入所述第七换热器后进入所述第三压缩机压缩并经过所述第五换热器再由sofc尾气加热构成循环，所述sco2工质进入所述第六换热器作为所述第二orc循环子系统的热源，所述第七换热器作为所述换热装置由所述sco2工质供热。

15、进一步地，所述第二orc循环子系统包括第六换热器、第三涡轮、第一冷却器和第一工质泵，第二orc工质在所述第六换热器由sco2工质加热后经过所述第三涡轮膨胀做功，然后进入所述第一冷却器由海水冷却后经过所述第一工质泵加压进入所述第六换热器构成循环。

16、本发明与现有技术相比的优点在于：

17、(1)利用sofc尾气能量驱动氨裂解器运行，预热氨气与空气，提高能效。

18、(2)采用sco2循环子系统取代常见的水蒸气动力循环回收尾气与阴极循环气体热量，减小了设备的体积，提高了循环的效率。

19、(3)采用第二orc循环子系统取代sco2循环子系统中的冷却器，利用从sco2循环子系统中释放的能量再次发电，同时实现了sco2循环子系统工质冷却的需求与系统能源有效利用。

20、(4)在sco2循环子系统中采用热电联产的方式有效利用低温热能，满足船员日常使用热水的需求。

21、(5)采用第一orc循环子系统利用最后排出尾气的热能；充分利用sofc/gt混合动力子系统中液氨的冷能冷却第一orc循环子系统工质；使用第一orc循环子系统工质中原先无法被利用的低温热能加热液氨，提高系统整体能效。

22、(6)完全采用氨气作为燃料，整个系统不产生碳排放，正真实现了系统的零碳排放。

23、本发明中，无论是液氨的冷能，还是sofc尾气余热或是sco2循环子系统中的能量均得到了有效利用，系统能效高；同时，能够实现系统零碳排放；本发明为氨燃料动力船高效零碳发展提供了一种切实可行的解决方案。

技术特征：

1.一种氨燃料船舶sofc/gt/sco2/orc/热电联产混合动力系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述sofc/gt混合动力子系统包括化学回热器，所述第一涡轮的排气进入所述化学回热器用于给所述氨气裂解器提供热量，所述化学回热器的排气为所述sofc尾气。

3.根据权利要求1所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述sofc/gt混合动力子系统包括第二换热器和第三换热器，所述sco2子系统包括第四换热器，所述第一orc循环子系统包括第一换热器和第八换热器，所述sofc尾气依次通过所述第二换热器、所述第三换热器、所述第四换热器和所述第八换热器，所述液氨依次通过所述第一换热器和所述第二换热器，所述第二换热器用于加热所述液氨，所述第三换热器用于加热所述压缩空气，所述第四换热器用于加热sco2工质，所述第八换热器用于加热所述第一orc工质，所述第一orc工质在所述第一换热器由所述液氨冷却。

4.根据权利要求3所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述第一orc循环子系统包括第二冷却器，所述第一orc工质在膨胀做功后分流为两路，一路进入所述第二冷却器由海水冷却，一路进入所述第一换热器。

5.根据权利要求4所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述第一orc循环子系统包括第二工质泵和第四涡轮，所述第二冷却器和所述第一换热器冷却后的所述第一orc工质经过所述第二工质泵加压进入所述第八换热器加热再进入所述第四涡轮膨胀做功。

6.根据权利要求4所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述第一orc循环子系统包括第二分离器和混合器，所述第二分离器连接在所述第四涡轮之后，所述第二分离器分别连接所述第一换热器和第二冷却器，所述混合器连接在所述第二工质泵之前，所述混合器混合所述第一换热器和第二冷却器流出的第一orc工质送入所述第二工质泵。

7.根据权利要求3所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述sofc/gt混合动力子系统包括第一分离器，所述第一分离器连接在所述第三换热器之后，将所述第三换热器流出的压缩空气分别送入所述sofc的阴极和后燃室。

8.根据权利要求1所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述sco2子系统包括第五换热器，所述sco2工质在膨胀做功后与压缩后的所述sco2工质在所述第五换热器进行回热。

9.根据权利要求8所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述sco2子系统包括第二涡轮、第六换热器、第七换热器和第三压缩机，由sofc尾气加热的sco2工质在所述第二涡轮进行膨胀做功后经过所述第五换热器进入所述第六换热器，再进入所述第七换热器后进入所述第三压缩机压缩并经过所述第五换热器再由sofc尾气加热构成循环，所述sco2工质进入所述第六换热器作为所述第二orc循环子系统的热源，所述第七换热器作为所述换热装置由所述sco2工质供热。

10.根据权利要求1所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述第二orc循环子系统包括第六换热器、第三涡轮、第一冷却器和第一工质泵，第二orc工质在所述第六换热器由sco2工质加热后经过所述第三涡轮膨胀做功，然后进入所述第一冷却器由海水冷却后经过所述第一工质泵加压进入所述第六换热器构成循环。

技术总结本发明公开了一种氨燃料船舶SOFC/GT/SCO<subgt;2</subgt;/ORC/热电联产混合动力系统，包括SOFC/GT混合动力子系统：由液氨经SOFC尾气加热并压缩后通过氨气裂解器裂解送入SOFC的阳极，压缩空气经SOFC尾气加热后送入SOFC的阴极和后燃室，SOFC的阳极和阴极的出口气体送入后燃室，后燃室燃烧压缩空气以及SOFC的阳极和阴极的出口气体并经过第一涡轮做功后形成SOFC尾气；SCO<subgt;2</subgt;子系统：由SOFC尾气加热的SCO<subgt;2</subgt;工质在膨胀做功后作为第二ORC循环子系统热源经过冷却并通过换热装置供热，再进行压缩形成循环；第一ORC循环子系统：以液氨作为冷源，以SOFC尾气作为热源构成第一ORC工质的循环；和第二ORC循环子系统：以SCO<subgt;2</subgt;子系统的SCO<subgt;2</subgt;工质作为热源，以海水作为冷源构成第二ORC工质的循环。本发明实现了氨燃料船舶的零排放。技术研发人员：姚寿广,王吉,夏民杰,孙菁,颜轩,常俊昊受保护的技术使用者：江苏科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4